KR0171449B1 - 촉매 변환기의 작동을 감시하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

모터 차량의 내연기관(1)의 하류측에 위치하고 캐리어 구조(4) 및 캐리어 구조 상에 접착성 촉매 활성화 코팅물을 가지는 배기가스 세척용 촉매 변환기(3)의 동작을 감시하기 위한 방법은 (a)적어도 1지점에서의 촉매 변환기의 촉매 활성화 코팅(5) 및/또는 캐리어 구조(4)의 온도(Tk)를 결정하고, (b) 촉매 변환기(3)의 상기 지점의 상류측 배기가스의 온도를 결정하고, (c) 적어도 양 온도(8)의 1차 시간 미분값을 알아내고, (d) 시간 미분값들(9) 간의 차를 알아내고, (e) 내연기관의 시동 후 차의 부호가 바뀌는 시기를 결정하는 단계를 포함한다. 이 방법은 촉매 변환기(3)에서의 오기능의 초기 검출, 특히 냉각 시동거동에 관한 검출을 수행할 수 있다.

Description

촉매변환기의 작동을 감시하기 위한 방법 및 장치
본 발명은, 배기 가스를 정화하기 위한 촉매 변환기의 작동을 감시하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 전세계적으로 대기 오염 배출 규정이 점차 엄격해짐에 따라, 자동차에 설치된 촉매 변환기의 작동을 일정하게 또는 적어도 주기적으로 감시하여 촉매 변환기가 그 기능을 더 이상 수행할 수 없게 되는 때를 초기에 결정해야 할 필요성이 대두되고 있다.
미국 특허 제 5,225,511호 및 제 5,307,626호에 대응하는 국제 특허 공보 WO 91-14855호 및 미국 특허 제 5,355,671호에 대응하는 국제 특허공보 WO 92-03643호는 촉매변환기를 감시하는데 사용되는 온도 센서의 다양한 배치를 기술하고 있다. 측정센서로서 얻어지는 측정값에 대한 평가 방법이 또한 기술되어 있다.
초기의 측정법은 작동 온도 즉, 촉매 변환이 시작되는 온도보다 현저하게 높은 온도에서 촉매 변환기의 작동을 감시하는 것이다. 그러나, 자동차 총배기량에 대한 강화된 배기 가스 배출 규정의 관점에서, 냉각 시동 상태 특히, 내연 기관이 작동된 후 1분 내에 촉매변환기의 성능이 특히 결정적인 역할을 한다는 것을 알게 되었다. 촉매변환기의 작동 능력을 평가하기 위한 목적으로, 촉매변환기에서 촉매 변환이 시작될 때와 그 때의 온도를 아는 것 또한 중요하다.
본 발명의 목적은 냉각 시동 상태에서 촉매 변환기의 성능에 대한 정보를 제공하는, 촉매변환기의 작동을 감시하기 위한 방법 및 이 방법을 수행하기 위한 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적은 자동차의 배기 가스를 정화하기 위해 내연 기관 하류부분에 위치되어진 운반체 구조물 및 상기 구조물에 부착되는 촉매활성 피복물을 갖는 촉매 변환기의 작동을 감시하는 방법에 의해 달성된다. 상기 방법은 하나 이상의 지점에서 촉매 변환기의 운반체 구조물 및 촉매 활성 피복물의 온도를 결정하는 단계와, 상기 촉매 변환기의 하나 이상의 지점의 상류부분의 배기 가스의 온도를 결정하는 단계와, 상기 두 온도값의 시간에 따른 일차 미분값을 계산하는 단계와, 상기 미분값의 차이를 계산하는 단계와, 내연 기관이 작동된 후 상기 미분값의 차이의 부호가 바뀌는 순간을 확인하는 단계를 포함한다.
배기 가스의 온도 및 촉매변환기의 구조물 또는 촉매활성 피복물의 온도가 결정되는 방법과는 관계없이, 이들 온도값의 시간에 따른 미분값들 사이의 차이를 관찰함으로써 촉매변환기가 변환되기 시작할 때의 정확한 상태를 알 수 있다. 촉매 변환이 발열 상태이기 때문에, 촉매 활성 피복물 및 상기 피복물 아래에 위치된 구조물을 가열시킨다. 냉각 시동 상태중, 배기가스의 온도는 초기에 다수 꾸준하게 상승하여 촉매 변환기를 비례적으로 가열시키게 된다. 그러나, 촉매변환기의 열 용량으로 인해, 촉매 변환기 구조물 및 촉매 활성 피복물의 온도는 초기에는 배기 가스의 온도보다 다소 느리게 변화한다. 그런, 촉매 변환기 구조물의 온도는 촉매 변환이 시작되는 순간부터 변화한다. 본 발명에 의한 방법에 의해 촉매 변환이 시작되는 순간을 정확하게 결정할 수 있다. 참고 데이터 또 신규의 촉매 변환기와 비교하여 보면, 촉매 변환기의 작동 상태 특히, 냉각 시동 상태의 성능에 대해 결론을 추론해낼 수 있게 된다.
냉각 시동 상태에서, 자동차의 작동은 여전히 매우 변화무쌍하게 될 수 있기 때문에, 기관이 작동된 후 상기 값의 차이로 부호가 변경되는 순간을 단순히 결정한다는 것은 항상 결론적이지는 못하다. 따라서, 촉매 활성 피복물 및 운반체 구조물의 온도를 확인하는 것이 특히 유리한데, 이는 상기 온도가 촉매 변환기의 작동에 관해 정확한 상태를 알려주기 때문이다. 상기 온도는 소위 점화 온도(light-off temperature)로서, 오염되거나 크게 노후화된 촉매 변환기에 있어 이 온도는 초기에 400 내지 450℃의 값이 아닌 대략 350℃에서 발생한다. 상기 온도 범위에 있어서, 전형적인 온도센서 특히, 레지스트 와이어(resistor wires)에 의한 온도 측정은 여전히 정확하고 장기간 동안 일정하여 촉매 변환기의 양호한 상태를 제공한다.
금속 운반체 구조물의 경우에 있어서, 운반체의 온도는 낮은 열 용량으로 인해 상기 활성 피복물의 온도와 거의 비슷하여, 운반체 구조물 내부에 일체식으로 설치된 측정 센서는 실질적으로 촉매 활성 피복물의 온도를 동시에 측정한다. 온도 센서의 적합한 배열은 예를 들어 특일 특허 제 41 29 839호 또는 전술한 국제 특허 공보 WO 91/14855호에 공지되어 있다. 세라믹 운반체 구조물에 있어서, 열원(촉매 반응이 발생하는 영역)에 가능한 근접하여 측정하기 위해 일부 상황하에서 상기 세라믹 구조물의 표면 위, 또는 세라믹 운반체 또는 촉매 활성 피복물 사이에 온도 센서를 배치하는 것이 필요하다.
금속 운반체 구조물에서, 상기 촉매 변환기의 운반체 구조물의 온도는 본 발명에 따른 상기 운반체 구조물 위 또는 내부에 일체식으로 설치된 하나 이상의 측정 센서에 의해 직접 측정된다. 유동 형상의 불균일한 분포 및 변환기의 불균일한 활성도가 측정에 영향을 미치지 않도록 하기 위해 촉매 변환기의 하나 이상의 횡단면 영역 및 전체 길이에 걸쳐 통합적으로 측정을 수행하는 것이 유리하다. 촉매 변환기를 통해 대각선으로 연장하는 온도 센서분 아니라 임의의 횡단면 영역내에 위치된 기다란 온도 센서, 또는 촉매 변환기를 통해 종방향으로 연장된 온도 센서, 또는 2개의 온도 센서의 조합물이 이용될 수 있다. 중요한 사실은 이러한 온도 센서들은 열원의 온도 즉, 배기 가스 온도를 측정하기 보다는 접촉하고 있는 운반체 구조물 또는 촉매 활성 피복물의 온도를 우선으로 측정한다는 것이다.
촉매 활성 피복물 또는 운반체 구조물의 온도와 상기 측정점 또는 측정 영역 부근에서 배기 가스의 온도를 동시에 측정하는 것이 가장 바람직하다. 그런, 촉매 변환기의 내부에서 가스 온도를 측정하는 것은 거의 불가능하므로, 기술적인 어려움에 부딪힌다. 이는 한편으로는, 운반체 구조물 사이의 간극은 기계적으로 너무 좁고 다른 한편으로는, 촉매 활성 피복물로부터의 복사로 인해 상기 가스 온도의 측정 수치를 저하시키기 때문이다. 따라서, 본 발명에 따른 배기 가스의 온도는 바람직하게 내연 기관과 촉매 변환기 사이의 배기 가스 흐름에서 하나 이상의 측정 센서에 의해 적접 측정된다. 임의의 경우, 상기 배기 가스의 온도는 촉매 활성 피복물 또는 운반체 구조물의 온도가 측정되는 지점의 상류 지점에서 측정하는 것이 중요하다.
본 발명의 또 다른 변형예에서, 임의의 경우 내연 기관을 제어하기 위해 측정된 다양한 측정 수치로부터 가스 온도를 결정하는 것이 가능하다. 특히, 배기 가스의 온도는 내연기관의 온도, rpm(분당 회전수), 공급된 공기양 및 연료양으로부터 결정될 수 있다.
촉매활성 피복물의 온도가 촉매 전환이 개시되어진 이후에 상승하고, 상기 온도의 시간에 따른 미분값이 배기 가스 온도의 시간에 따른 미분값보다 더 클 때, 공지된 작업 조건하에서 시간에 따른 두 미분값의 차이의 절대값 특히, 목표 수치 또는 설정된 수치와 비교하여 미리 정해진 목표 수치로부터 편차를 측정함으로써 촉매 변환기의 상태를 추론해낼 수 있다.
냉각 시동 상태에서, 상기 촉매 변환기의 제1 부분은 촉매 반응이 발생되기 위한 필요한 온도에 가장 빨리 도달함으로, 상기 촉매 변환기의 운반체 구조물의 온도 및 촉매 활성 피복물의 온도를 상기 촉매 변환기의 제1 부분의 전체 길이 부분에 걸쳐 통합하여 측정하는 것이 특히 바람직하다. 상기 촉매 변환기의 횡단면 영역 바람직하게, 상기 촉매 변환기의 운반체 구조물 내부로 제1의 3 내지 10cm 영역내의 횡단면위에서 측정하는 것이 특히 바람직하다.
시간에 따른 미분 수치를 관찰하는 잇점은 상기 온도 센서의 절대 정확도는 한계가 없다는 점이다. 임의의 경우에, 본 발명의 경우 결정적인 온도 범위인, 대략 500℃에 이르는 온도 범위 내에서, 상기 온도에서 정확성은 상당히 높으며 800℃ 이상의 범위에서도 현저하게 떨어지지 않는다. 작동 온도에서 촉매 변환기를 측정하는 상황과는 달리, 본 발명의 범주내에서 절대 온도의 관찰은 상기 촉매 운반체의 점화 온도를 확인하기 위한 정확한 측정법이다. 상기 상황에서, 촉매 변환기 내의 온도 센서의 정확성을 높이기 위해서는, 상기 센서는 차량의 다른 온도 센서들과 비교하여 재보정(recalibrated) 및 재조정(readjustment)될 수 있다. 차량의 주위 온도 센서 또는 냉각제 센서는 고온에 노출되어서는 안되며 장시간동안 안정되어, 상기 센서들이 재보정 목적에 부합하도록 한다. 만일 차량이 예를 들어, 밤시간 동안 주차되어 있었다면, 모든 온도 센서들은 동일한 온도로 추정될 수 있다.
전술한 목적을 달성하기 위해서는, 본 발명은 배기 가스를 정화하기 위해 차량의 내연 기관의 하류 부분에 위치한 운반체 구조물 및 상기 구조물에 부착된 촉매 활성 피복물을 갖는, 촉매 변환기의 작동을 감시하기 위한 장치에 관한 것이며, 촉매 변환기의 촉매 활성 피복물 및 운반체 구조물 또는 촉매 활성 피복물의 온도를 측정하기 위한 하나 이상의 측정 센서, 배기 가스의 온도를 결정하기 위한 하나 이상의 장치, 상기 하나 이상의 측정센서와 장치에 연결된 측정되거나 결정된 온도의 시간에 따른 미분값을 계산하기 위한 미분 회로, 상기 미분값 사이의 차이를 계산하기 위한 상기 감산 회로, 및 상기 미분값의 차이로 부호가 바뀌는 순간을 확인하기 위한 상기 감산 회로에 연결된 제1 비교 회로를 포함한다.
상기 측정은 상기 촉매 변환기의 작동 문제점을 즉시 나타내고 수리 설비에서 정확한 진단을 가능케 하는데 그 의도가 있으며, 특히 제1 메모리 장치가 상기 미분값 사이의 차이로 부호가 바뀌는 순간에 촉매 활성 피복물 또는 운반체 구조물의 측정된 온도 수치를 저장한다면 바람직하다. 목표 수치 및 상기 측정된 온도 수치에 대해 초기에 측정된 수치를 저장하기 위한 2차 메모리 장치, 및 상기 측정된 온도 수치와 목표 수치 및 초기에 측정된 수치를 비교하기 위한 비교 회로도 촉매 변환기의 상태를 정확하게 진단하는데 기여하며, 촉매 변환기의 잔여 사용 기간을 예지하는데도 사용될 수 있다.
본 발명의 이러한 특성 및 잇점은 단지 예로서 도면에 제시되어 있는 실시예를 참조하여 이후 더 상세히 설명된다.
내연 기관(1)으로부터, 배기 가스라인(2)은 촉매 변환기(3)에 이른다. 촉매 변환기(3)는 운반체 구조물(4)을 포함하며, 상기 구조물(4)에 촉매 활성 피복물(5)이 부착되어 있다. 배기 가스의 온도(Tg)를 측정하기 위해 온도 센서(6)는 촉매 변환의 측정점에서 열 복사에 의한 영향을 받지 않도록 촉매 변환기의 상류부문에 가능한 근접하여 위치되어 있다. 상기 측정 위치에서의 온도 센서(7)는 점 형태 또는 영역 형태의 온도 센서이며, 운반체 구조물(4)의 온도(Tk)를 측정하며, 운반체 구조물이 금속으로 제조되었다면, 상기 촉매 활성 피복물의 온도와 정확하게 일치한다.
미분 회로(8)는 두 개의 온도 센서(6,7)로부터 측정된 수치(Tg, Tk)의 시간에 따른 미분값(d/dt)을 형성하며, 감산 회로(9)는 상기 미분값으로부터 차이(d/dt Tk - d/dt Tg)를 형성한다. 비교 회로(12)는 상기 미분값의 차이로 신호가 바뀔 때를 확인시켜 준다. 상기 비교 회로(12)가 상기 미분값의 차이의 신호가 변화되는 순간(ti)를 확인시켜 주게 되면, 상기 측정위치에서 상기 순간(ti)에 측정된 온도(Tki)는 제1 메모리 장치(10) 내에 저장된다.
상기 측정 수치(Tki)의 초기 측정 수치 및 목표 수치가 제2 메모리 장치(11)에 저장된다. 제2 비교 회로(13)는 초기에 저장된 수치 또는 제1 메모리 장치(10) 내에 저장된 온도 수치와 목표 수치를 비교하며, 과다한 차이가 디스플레이(16)에 나타나면, 촉매 변환기의 작동불량을 나타낸다. 디스플레이 대신에 전자 메모리 장치가 사용될 수 있으며, 수리 설비에 진단 목적으로 이후에 판독된다.
측정장치의 정확성을 증가시키기 위한 목적으로, 재보정 회로(17)가 제공되며, 비교적 장기간 주차되어진 차량이 주위 온도 센서(17), 냉각제 온도 센서(15) 및 온도 센서(6,7)의 측정된 온도 수치와 비교된 이후에, 필요에 따라 상기 센서(6,7)를 재보정한다.
본 발명은 차량에서 촉매 변환기의 작동 문제를 초기에 탐지하며, 특히, 총괄 배출에 중요한 점화 성능의 악화를 확인할 수 있다.

Claims (23)

  1. 배기 가스를 정화시키기 위해, 차량의 내연 기관(1) 하류 부분에 위치되어진 운반체 구조물(4) 및 상기 구조물에 부착되어 있는 촉매 활설 피복물(5)을 갖추고 있는 촉매 변환기(3)의 작동을 감시하기 위한 방법에 있어서, 하나 이상의 지점에서 상기 촉매 변환기(3)의 운반체 구조물(4) 및 촉매 활성 피복물(5)의 하나 이상의 온도(Tk)를 결정하는 단계와, 상기 촉매 변환기(3)의 상기 하나 이상의 지점의 상류 부분에서의 배기 가스의온도(Tg)를 결정하는 단계와, 상기 두 온도값의 시간에 따른 일차 미분값(d/dt Tk, d/dt Tg)을 계산하는 단계와, 상기 미분값의 차이(d/dt Tk - d/dt Tg)를 계산하는 단계와, 그리고 상기 내연 기관(1)이 작동된 후 상기 미분값의 차이의 부호가 바뀌는 순간(ti)을 확인하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 미분값의 차이의 부호가 바뀌는 순간(ti)에 상기 운반체 구조물(4) 및 상기 촉매 활성 피복물(5)의 온도(Tki)를 측정하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 촉매 변환기(3)의 운반체 구조물(4)의 온도(Tk)는 상기 촉매 변환기(3)의 운반체 구조물(4)에 일체식으로 설치된 하나 이상의 측정 센서에 의해 적접 측정되는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 측정 센서가 촉매 변환기(3)의 운반체 구조물(4)상에 일체식으로 설치된 방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 측정 센서가 촉매 변환기(3)의 운반체 구조물(4)상의 내부에 일체식으로 설치된 방법.
  6. 제3항에 있어서, 상기 측정 센서는 상기 촉매 변환기의 하나 이상의 횡단면 영역 및 전체 길이의 일부분 위로 통합적으로 측정하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 배기 가스의 온도(Tg)는 상기 내연 기관(1)과 상기 촉매 변환기(3) 사이의 배기 가스 흐름내에 하나 이상의 측정 센서로 직접 측정하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 배기 가스의 온도(Tg)는 상기 내연 기관(1)을 제어하기 위해 측정된 다양한 측정 수치로부터 배기 가스의 온도를 결정하는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 배기 가스의 온도(Tg)는 상기 내연 기관의 온도, 분당 회전수(rpm), 및 공급된 공기량과 연료량으로부터 배기 가스의 온도를 결정하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 시간에 따른 두 미분값의 차이의 절대값은 공지된 작업 조건하에서 결정되고, 목표 수치로부터의 편차로부터 측정하는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 촉매 변환기의 운반체 구조물(4) 및 촉매 활성 피복물(5)의 온도(Tk)는 상기 촉매 변환기의 제1 부분의 전체 길이 부분에 걸쳐 통합적으로 측정되는 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 온도(Tk)는 상기 촉매 변환기의 횡단면 영역 위로 대표하여 측정하는 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 온도(Tk)는 상기 촉매 변환기(3)의 운반체 구조물(4) 내부의 제1의 3 내지 10cm 내의 횡단면 영역에 걸쳐 대표하여 측정하는 방법.
  14. 제3항에 있어서, 상기 내연 기관(1)이 비교적 장시간동안 꺼져 있은 후, 하나 이상의 측정 센서를 때때로 재보정하는 방법.
  15. 제3항에 있어서, 상기 내연 기관(1)이 비교적 장시간 동안 꺼져 있은 후, 주위 온도 센서(14)와 비교하여 적절하게 재보정함으로써 하나 이상의 측정 센서를 때때로 재보정하는 방법.
  16. 제3항에 있어서, 상기 내연 기관(1)이 비교적 장시간동안 꺼져 있은 후, 자동차의 냉각제 센서(15)와 비교하여 적절하게 재보정함으로서 하나 이상의 측정 센서를 때때로 재보정하는 방법.
  17. 제7항에 있어서, 상기 내연 기관(1)이 비교적 장시간 동안 꺼져 있은 후, 하나 이상의 측정 센서를 때때로 재보정하는 방법.
  18. 제7항에 있어서, 상기 내연 기관(1)이 비교적 장시간동안 꺼져 있은 후, 주위 온도 센서(14)와 비교하여 적절하게 재보정함으로써 하나 이상의 측정 센서를 때때로 재보정하는 방법.
  19. 제7항에 있어서, 상기 내연 기관(1)이 비교적 장시간동안 꺼져 있은 후, 자동차의 냉각제 센서(15)와 비교하여 적절하게 재보정함으로서 하나 이상의 측정 센서를 때때로 재보정하는 방법.
  20. 배기 가스를 정화시키기 위해 차량의 내연 기관(1) 하류 부문에 위치하는 운반체 구조물(4) 및 상기 구조물에 부착되어 있는 촉매 활성 피복물(5)을 갖는 촉매 변환기(3)의 작동을 감시하기 위한 장치에 있어서, 촉매 변환기(3)의 촉매 활성 피복물(5) 및 운반체 구조물(4)의 온도를 측정하기 위한 하나 이상의 측정 센서와, 배기 가스 온도를 결정하기 위한 하나 이상의 장치와, 상기 측정되거나 결정된 온도의 시간에 따른 미분값을 계산하기 위해, 상기 하나 이상의 센서와 하나 이상의 장치에 연결된 미분 회로와, 상기 두 미분값 사이의 차이를 계산하기 위한 상기 미분 회로에 연결된 감산 회로와, 상기 미분값 사이의 차이로 부호가 바뀌는 순간을 확인하기 위해 상기 감산 회로에 연결된 비교 회로를 포함하는 장치.
  21. 제20항에 있어서, 상기 미분값의 차이의 부호가 바뀌는 순간에 상기 촉매 활성 피복물과 상기 운반체 구조물에서 측정된 온도 수치를 저장하기 위해 상기 비교 회로에 연결된 메모리 장치를 더 포함하는 장치.
  22. 제21항에 있어서, 상기 미분값 사이의 차이로 부호가 변하는 순간에 상기 측정된 온도 수치의 초기 측정 수치와 목표 수치를 저장하기 위해 상기 비교 회로에 연결된 또 다른 메모리 장치를 더 포함하는 장치.
  23. 제20항에 있어서, 상기 비교 회로에 연결된 비교 장치와, 상기 미분값의 차이의 부호가 바뀌는 순간에 상기 촉매 활성 피복물과 상기 운반체 구조물에서 측정된 온도 수치를 저장하기 위한 상기 비교회로에 연결된 제1 메모리 장치, 및 상기 미분값의 차이의 부호가 바뀌는 순간에 상기 측정된 온도 수치의 초기 측정 수치와 목표 수치를 저장하기 위한 상기 비교 회로에 연결된 제2 메모리 장치를 포함하여, 상기 비교 장치는 상기 미분값의 차이의 부호가 바뀌는 순간에 상기 측정된 온도 수치와 상기 목표 수치 및 초기에 측정된 수치를 비교하는 장치.
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